『水系锌电』南开大学焦丽芳教授Chem. Sci. 观点: 揭秘电流密度对锌负极可逆性的影响作用

文摘   2024-11-10 08:08   英国  


综述背景


水系锌电池(AZBs)作为固定式能储设备的候选者显示出巨大潜力。提高锌负极在高电流密度下的沉积/析出效率和循环寿命使AZBs在快速充放电场景中具有吸引力。然而,现有文献对电流密度对锌负极可逆性的影响作用存在不一致的实验结果和解释。一些研究表明增加电流密度会降低锌负极的可逆性,而其他人则持相反观点。



综述内容


在本综述中,作者深入探讨了这种冲突现象,重点关注锌金属电沉积的基础知识、与电流密度相关的锌成核和生长模型和理论。作者支持增加电流密度会导致锌稳定性呈现火山形状的模式,这种关系是因为电流密度在热力学和界面动力学中起着双重且矛盾作用的结果。该观点为推进快充AZBs提供了有价值的见解。

其成果以题为“Effects of current density on Zn reversibility”在国际知名期刊Chemical Science上发表。本文第一作者为南开大学苗立成博士,通讯作者为焦丽芳教授,通讯单位为先进能源材料化学教育部重点实验室(南开大学)。


综述要点


该观点旨在通过整理和对比与电流密度相关的锌金属成核-生长理论和模型,增进对锌负极稳定性受到电流密度影响的理解。本文首先简要介绍了碱性和酸性电解液中的锌金属电沉积过程(第2节),然后全面分析了受电流密度影响的锌成核和生长的模型和理论,以及锌负极的最新进展(第3节)。最后,本文讨论了实现高功率AZBs的挑战和机遇,并提供了对这一新兴领域进展的未来展望(第4节)。
 


图文导读


1. 与锌电沉积相关的概念
碱性(a)和酸性(b)溶液中锌离子沉积过程。锌离子均匀沉积(c)和锌枝晶生成(d)示意图。锌金属瞬时和渐进成核过程(e)。(f)锌金属电沉积过程中的时间-电压曲线示意图。(g)过电位(η)的影响因素。

 
2. 关于锌成核的热力学理论和模型
(a)基于2D六方成核模型的锌成核和生长过程示意图。(b)锌成核过程中的能垒。(c)η rc 或 ΔGc之间关系。(d)锌成核和生长与电流密度关系示意图。(e)高密度的锌成核理论支持高电流密度导致锌金属平面内均匀生长,提升锌极寿命。

 

3. 关于锌生长的动力学理论和模型

(a)生长理论的观察结果表明电流密度对锌负极寿命的不利影响。(b)锌在铜等基底上的电沉积过程示意图。(c)电流密度与tSandhSand关系示意图。(d)电愈合过程的示意图,其中树枝的尖端被钝化形成光滑边缘,从而得到光滑的阳极表面。

 
4. 电流密度对锌稳定性的有益热力学和不利动力学特性
(a)随着电流密度增加,锌负极循环寿命的变化示意图。(b)通过调节电流密度,改善锌负极寿命方案示意图。



总结与展望

在AZBs的快速充放电应用中,提高锌的可逆性和稳定性对于高电流密度至关重要。然而,关于锌的可逆性与电流密度的依赖性仍存在争议。为了解决这个问题,本文通过比较和对比与电流密度相关的成核-生长理论和模型,对锌负极的电流密度依赖稳定性进行了全面的研究。作者的观点支持电流密度的增加会导致锌电镀/剥离的可逆性呈现出火山形状的模式。然而,由于之前研究的结论存在冲突,有必要讨论某些可能干扰锌可逆性与电流密度之间关联准确评估的实验实践和影响因素。具体内容请参考图5。

5. 干扰锌可逆性与电流密度关系准确评估的实验实践和影响因素
(a) 软短路和Zn||Cu电池的示意图和电压曲线。(b) XRD、SEM和原位OM数据需要收集大量数据点以确保可靠的结果。(c) 使用控制变量方法来消除电池配置变量(包括基底、电解质和隔膜)和外部环境因素对电流密度和锌金属稳定性相关性评估的干扰。(d) AZBs快速充放电应用的目标。

 


文献信息

Licheng Miao, Wenqi Jia, and Lifang Jiao. Effects of current density on Zn reversibility. Chem. Sci.

文章链接:https://doi.org/10.1039/D4SC06319H



团队介绍

焦丽芳,南开大学化学学院教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者,重点研发计划项目首席科学家。获天津市自然科学一等奖(第一完成人),第十八届中国青年女科学家奖。担任eScience,Chinese Chem. Lett. 期刊编委,中产协静电纺专委会副主任委员。主要研究方向聚焦于能源的高效储存与电催化转化:设计合成高性能锂/钠/钾离子电池关键电极材料,揭示新材料储能机制;设计开发催化活性高、稳定性好、选择性强的廉价电催化水分解催化剂。已在Angew. Chem. Int. Ed.,Chem. Soc. Rev.,Adv. Mater.,Adv. Energy Mater., Chem. Sci. 等期刊发表SCI论文350余篇,总引用25100余次,H因子85。


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  • DOI

    https://doi.org/10.1039/D4EE00881

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